JP3778012B2 - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の空燃比制御技術に関し、特に、NOx浄化性能を改善した空燃比制御技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、流入する排気の空燃比がリーンの時にNOxをトラップし、該空燃比がリッチの時にトラップしたNOxを脱離、浄化するNOxトラップ触媒を備えた内燃機関においては、リーン空燃比で運転した後は、空燃比をリッチにしてNOxを還元するようにしている。
【0003】
NOxを還元するために空燃比をリッチにする場合、リッチ化する時間が不足すると、十分なNOx還元が行われないために、NOx排出量の増加をもたらし、反対にリッチ化する時間が長すぎると、余剰な燃料噴射量は、CO及びHCの増加をもたらすことになる。
したがって、NOxの還元を十分に行いつつCO及びHCの増加をもたらさないように最適なリッチ化を行うことが、排気浄化のために必要であり、かかる目的のために、いくつかの発明がなされている(特開平8−232646号公報、特開平11−210524号公報参照)。
【0004】
特開平8−232646号公報、特開平11−210524号公報によると、NOxトラップ触媒の下流に設置した空燃比センサが理論空燃比もしくは理論空燃比よりもリッチに移行するタイミングで空燃比のリッチ化を終了させて、最適なリッチ化を実現しようとしている。
一方、空燃比がリーンのときに、NOxトラップ触媒にNOxをトラップする場合、NOxトラップ触媒及び機関の排気通路に設置された他の触媒は、排気中に含まれる酸素をストレージしており、NOxを還元する際のリッチ化された排気中のCO及びHCの多くがストレージされた酸素を消費するために使用される。
【0005】
したがって、NOxの還元を十分に行い、かつ、CO及びHCの増加をもたらさないように最適なリッチ化を行うためには、排気通路に設置された触媒の酸素ストレージ量に合わせてリッチ化を行う必要がある。
空燃比がリーンのときに、排気通路に設置された触媒にストレージされた酸素は、空燃比がリッチのときに触媒から放出され、排気中のCO及びHCと反応するが、この速度は一定ではなく、触媒に残った酸素量が少なくなると低下するため、その場合、触媒出口位置での排気中の酸素濃度が低下したように見える。したがって、触媒に流入する排気の空燃比をリッチ化した後、触媒の下流に配置された空燃比センサが理論空燃比よりもリッチになったと判定したときにおいても、実際は触媒内には酸素が残っていることが本発明者らの実験で確認されており、この時点で触媒に流入する排気のリッチ化を終了すると、リッチ化が不十分となる。
【0006】
特開平8−232646号公報、特開平11−210524号公報では、既述のように触媒の下流に設置した空燃比センサが理論空燃比もしくは理論空燃比よりリッチに移行するタイミングで空燃比のリッチ化を終了させる構成になっていたため、触媒にストレージされた酸素が完全に放出されたかどうかは判別できない。このように、触媒の下流に設置した空燃比センサが理論空燃比もしくは理論空燃比よりリッチに移行するタイミングで空燃比のリッチ化を終了させる方式では、最適にNOxを還元できない。
【0007】
特に、リッチ化運転の後に、触媒の上流に設置された空燃比センサによるストイキ空燃比へのフィードバック制御に移行する場合、触媒下流に設置した空燃比センサが理論空燃比もしくは理論空燃比よりリッチに移行するタイミングで空燃比のリッチ化を終了させる方式では、触媒内に酸素が残っているため、触媒内でのNOx還元能力が低下し、NOx排出量の増加をもたらすことになる。
【0008】
また、排気中のCO及びHCとの反応によるNOxの脱離還元効率は、触媒内の酸素ストレージ量が低下するに従って増大するので、触媒内に酸素が残っている場合は酸素が完全に放出された場合に比較するとNOxトラップ触媒にNOxが残りやすい。したがって、リッチ化運転の後に、直ぐにリーン空燃比運転に戻す場合でも、NOxトラップ触媒にNOxが残存していると、NOxトラップ能力が不足し、ひいてはリーン空燃比運転時間が短縮して燃費や排気浄化性能の低下を招く。
【0009】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項1に係る発明は、
排気通路に、流入する排気の空燃比がリーンの時にNOxをトラップし、該空燃比がリッチの時にトラップしたNOxを脱離、浄化するNOxトラップ触媒を備えた内燃機関の空燃比制御装置において、
前記NOxトラップ触媒下流の排気の空燃比を検出しつつリーン空燃比運転後にリッチ空燃比運転を行い、前記NOxトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出した後も所定期間リッチ空燃比運転を継続し、
かつ、前記リッチ空燃比運転を開始してから前記NOxトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出するまでの期間に応じて前記リッチ空燃比運転を継続する所定期間を設定することを特徴とすることを特徴とする。
【0010】
請求項1に係る発明によると、
リーン空燃比運転時に触媒にストレージされた酸素はNOxトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出したときも残っているが、その後所定期間リッチ空燃比運転を継続することにより、触媒(NOxトラップ触媒その他排気通路中の触媒)内の酸素を十分に放出させることができ、以って排気中のCO,HC(還元材)によってNOxトラップ触媒中のNOxを十分に脱離、還元(浄化)させて、CO,HCとNOxを総合的にバランス良く低減できる。
【0011】
また、前記リッチ空燃比運転を開始してから前記NOxトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出するまでの期間に応じて前記リッチ空燃比運転を継続する所定期間を設定する構成としたことにより、以下の効果が得られる。
すなわち、前記リッチ空燃比運転を開始してから前記NOxトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出するまでの期間は、概略この期間中にリッチ化された燃料量(還元材量)に相当する。該リッチ化分燃料量は、リッチ空燃比運転開始からリッチと検出されるまでに触媒から放出された酸素の還元に消費されるので、該放出酸素量と等価であり、この放出酸素量と排気の空燃比がリッチと検出したときに触媒に残存する酸素量とは相関しているので、該残存酸素を放出、還元するのに必要かつ十分なようにリッチ空燃比運転を継続する所定期間を設定することができる。
【0012】
また、請求項2に係る発明は、
前記リッチ空燃比運転を開始してから前記NOxトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出するまでの期間に所定割合を乗じて、前記リッチ空燃比運転を継続する所定期間を設定することを特徴とする。
請求項2に係る発明によると、
前記リッチ空燃比運転を開始してから前記NOxトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出するまでの期間の放出酸素量と、排気の空燃比がリッチと検出したときに触媒に残存する酸素量とが概略比例的であるので、該期間に所定割合を乗じることで、前記リッチ空燃比運転を継続する所定期間を簡易かつ良好な値に設定することができる。
【0013】
また、請求項3に係る発明は、
前記リッチ空燃比運転を継続する所定期間は、時間経過と共に徐々にリッチ化の程度を減少することを特徴とする。
請求項3に係る発明によると、
NOxトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出した後の、触媒の酸素放出率は残存酸素量の減少にしたがって徐々に減少するので、この特性に応じてリッチ空燃比運転の継続時間経過と共に徐々にリッチ化の程度を減少することにより、放出される酸素量に見合った還元材量が与えられ、リッチ化の過不足を抑制できるので、この間の排気浄化性能も高めることができる。
また、請求項4に係る発明では、前記NOxトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出された後に継続するリッチ化空燃比運転のリッチ化の程度を、前記検出前のリッチ化の程度より小さくする構成としたことにより、触媒の酸素放出率は、NOxトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出される前より後の方が残存酸素量の減少によって小さくなるので、リッチ化の程度を、前記検出前のリッチ化の程度より小さくすることにより、リッチ化の過不足を抑制できる。
また、請求項5に係る発明では、前記NOxトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出された後に継続するリッチ化空燃比運転を、空燃比フィードバック制御の平均空燃比をリッチ化することによって行うことにより、経時変化に影響されず安定したリッチ化制御を行える。
また、請求項6に係る発明では、前記リッチ化空燃比運転の終了後、ストイキ空燃比運転を行うことにより、既述のように、触媒内に酸素が残っていると触媒内でのNOx還元能力が低下し、NOx排出量の増加をもたらすことになるが、本発明では該触媒内から酸素を十分に放出させることができるので、ストイキ空燃比運転に移行後も触媒によるNOxの還元浄化を良好に遂行させることができる。
【0014】
また、請求項7に係る発明は、
排気通路に、流入する排気の空燃比がリーンの時にNOxをトラップし、該空燃比がリッチの時にトラップしたNOxを脱離、浄化するNOxトラップ触媒を備えた内燃機関の空燃比制御装置において、
前記NOxトラップ触媒下流の排気の空燃比を検出しつつリーン空燃比運転後にリッチ空燃比運転を行い、前記NOxトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出した後も所定期間リッチ空燃比運転を継続し、
かつ、前記リッチ空燃比運転を開始してから前記NOxトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出するまでの期間に、理論空燃比よりリッチ化している燃料噴射量相当値に応じて前記リッチ空燃比運転を継続する所定期間を設定することを特徴とする。
【0015】
請求項7に係る発明によると、請求項1の説明で既述したように、前記期間中に理論空燃比よりリッチ化している燃料噴射量は、該期間中に放出された酸素量と等価でリッチ検出時に触媒に残存する酸素量と相関するので、該リッチ化分の燃料噴射量相当値を用いることにより、リッチ空燃比運転を継続する所定期間がより適切に設定される。
【0016】
また、請求項8に係る発明は、
前記リッチ空燃比運転を開始してから前記NOxトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出するまでの期間に、理論空燃比よりリッチ化している燃料噴射量相当値の積算値に所定割合を乗じた値から、前記NOxトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出された以後のリッチ空燃比運転を継続しているときの理論空燃比よりリッチ化している燃料噴射量相当値の積算値を減算し、該減算した値がしきい値を下回った時点で該リッチ空燃比運転を終了することを特徴とする。
【0017】
請求項8に係る発明によると、
前記リッチ空燃比運転を開始してから前記NOxトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出するまでの期間中のリッチ化分の燃料噴射量相当値に所定割合を乗じた値の積算値を、触媒内の残存酸素量を還元する量として算出できる。
したがって、この算出値からリッチ空燃比運転継続中のリッチ化分の燃料噴射量相当値の積算値を減算したがしきい値を下回った時点で、触媒内の残存酸素量が還元されつくしたと判断して、リッチ化空燃比継続運転を最適な時期に終了させることができる。
【0018】
また、請求項9に係る発明は、
前記リッチ空燃比運転を継続しているときに、前記減算した値が小さくなるに従って、リッチ化の程度を減少することを特徴とする。
請求項9に係る発明によると、
既述したように、触媒の酸素放出率は残存酸素量の減少にしたがって徐々に減少するので、前記積算値同士の減算値が小さくなるに従って、リッチ化の程度を減少することにより、リッチ化の過不足を抑制でき、この間の排気浄化性能もより高めることができる。
【0019】
また、請求項10〜請求項12に係る発明によると、請求項4〜請求項6で説明したのと同様の効果が得られる。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。
図1は、本発明にかかる空燃比制御装置の一実施形態のシステム構成を示す。
実施例の構成を示すものである。エンジン(内燃機関)1の吸気通路2の上流部には、吸入空気流量Qaを検出するエアフローメータ3が備えられ、その下流側には吸入空気量Qaを調節する電制スロットル弁4が備えられている。エンジン1の燃焼室には、燃料噴射弁5と点火プラグ6が備えられている。前記燃料噴射弁5は、吸気ポート部分に燃料を噴射するものであってもよいし、また、燃焼室に直接燃料を噴射するものであってもよい。
【0023】
エンジン1の排気通路7には、上流側から排気空燃比を検出する上流側空燃比センサ8、触媒9、NOxトラップ触媒10、該NOxトラップ触媒10下流の排気空燃比を検出する下流側空燃比センサ11が順次設置されている。
前記NOxトラップ触媒10は、排気空燃比がリーンであるときに排気中のNOxをトラップし、排気空燃比が理論空燃比もしくは理論空燃比よりリッチであるときに前記トラップしたNOxを脱離して三元触媒層で還元処理する触媒である。
【0024】
また、該NOxトラップ触媒10より上流の触媒9は、始動時の排気浄化性能を向上させるため設けられる。なお、本発明において、触媒の個数、配置は特に限定するものではない。また、以下の説明で単に触媒というときは、触媒9、NOxトラップ触媒10を合わせたものをいう(したがって、触媒入口は触媒9の上流側、触媒出口はNOxトラップ触媒10の下流側をいう)。
【0025】
前記上流側空燃比センサ8は、排気中の酸素濃度に基づいて排気中空燃比を検出するセンサであり、理論空燃比のみを検出するストイキセンサであってもよいし、排気空燃比を広域に検出できる広域空燃比センサであってもよい。下流側空燃比センサ11についても同様である。
また、前記エアフローメータ3、空燃比センサ8,11以外の各種エンジン運転状態を検出するセンサ類として、エンジン回転速度Ne等を検出するためのクランク角センサ12、エンジン冷却水温度を検出する水温センサ13、スロットル弁4の開度を検出するスロットルセンサ14などが設けられる。これらセンサ類からの検出信号は、ECU(エンジンコントロールユニット)15に入力される。
【0026】
ECU15は、マイクロコンピュータを含んで構成され、前記各検出信号に基づいて、必要な空気量を得るために電制スロットル弁4を駆動し、エアフローメータ3で検出された吸入空気量Qaとクランク角センサ12で検出されたエンジン回転速度Neとに基づいて燃料噴射量(噴射パルス幅)Ti、噴射タイミングを設定し、それに基づく燃料噴射信号を出力して燃料噴射弁5を駆動し、点火時期を設定して前記点火プラグ6を点火駆動する。
【0027】
前記燃料噴射信号の演算においては、運転条件に応じて目標空燃比を決定し、該目標空燃比の混合気が形成されるように燃料噴射量が演算されるが、前記目標空燃比として基本的には理論空燃比よりもリーンである空燃比が設定される構成となっている。そして、前記上流側空燃比センサ8で検出される排気空燃比を目標空燃比に近づけるように、前記燃料噴射量を補正するための空燃比フィードバック補正係数αを、例えば比例積分制御等に基づき設定する。
【0028】
一方、一旦リーン空燃比で運転された場合や、フューエルカット等でリーンな排気が検出された後は、前記触媒9、NOxトラップ触媒10には、酸素(O2)やNOxがトラップされており、前記上流側空燃比センサ8で検出される排気空燃比を目標空燃比に近づけるように制御するだけでは、前記触媒内にストレージされた酸素が放出されず、そのために触媒内の空燃比がリーンとなり、トラップされたNOxを十分に脱離、還元処理できない。そこで、目標空燃比を一時的にリッチ空燃比に制御することにより、ストレージされた酸素を排気中のCO及びHCと反応させると共に、トラップされたNOxを十分還元できるようにしている。
【0029】
ここで、本発明にかかる制御の説明に先立ち、前記特開平8−232646号公報に示されているリッチスパイク終了判定の概要を図13に基づいて説明する。
触媒入口空燃比が、リーンからリッチに移行すると、一旦、触媒出口空燃比が理論空燃比付近の値を示し、触媒出口空燃比センサの出力も、理論空燃比近傍の値を示す。リッチ状態がしばらく継続した後に、図中Pで示すように、触媒出口空燃比がリッチ側に変化し始め、同時に触媒出口空燃比センサ出力も低下し、理論空燃比I0よりも小さい値となる。このP時点を判定し、リッチ化を停止するものである。
【0030】
前記リッチ化してからの触媒内にストレージされた酸素の挙動を図14に基づいて説明する。なお、図14は、本発明者らの実験により得られたもので、触媒出口空燃比センサとして、理論空燃比のみを検出する酸素センサを配置した場合で説明する。
リーン空燃比(触媒入口空燃比)で運転した後、リッチ化した場合(図14A−a)、触媒出口酸素センサ出力がスライスレベル(S/L)よりも低い場合、すなわち、触媒出口の空燃比はリーンと判定している間(同図D−a)は、排気中のCO及びHCと酸素が反応しながら触媒から放出される酸素放出率は一定で(同図B−a)、ストレージされた酸素が消費されていく(同図C−a)。しかしながら、触媒出口酸素センサの出力がS/Lを超える、すなわち、触媒下流の空燃比がリッチと判定した後(同図D−b)でも、完全には触媒にストレージされた酸素は放出されておらず(同図C−b)、酸素放出率が低下しながら(同図B−b)徐々に酸素は放出されていく。したがって、触媒出口に配置された酸素センサの出力が、空燃比がリッチになったと判定した後も、触媒内には酸素が存在しており、リッチな状態の継続が不足しているのである。
【0031】
この場合、図14の例のように、リッチ化の後に、触媒上流に配置された酸素センサによる空燃比フィードバック制御に移行した場合、触媒内に残存していた酸素が放出されるため、触媒内の空燃比は理論空燃比よりもリーンな状態になり、NOxの排出量が増加することとなる(同図E)。
本発明は、上記問題点を解消するように構成されている。
【0032】
以下、実施形態の制御について説明する。なお、システム構成を示す図1で、下流側空燃比センサ11として酸素センサを用いた場合について説明する。
図2に示すように、エンジン1がリーン空燃比で運転しているときは、下流側空燃比センサ11(触媒出口酸素センサ)の出力は、略0mVを示し、リッチ化を開始し、触媒出口空燃比がリッチになるまでは、触媒出口空燃比は理論空燃比よりも若干リーンな出力を示し、下流側空燃比センサ11の出力もおよそ0mVを出力している。下流側空燃比センサ11の出力がリッチと判定するまでの積算時間をT1とすると、T1とリッチ割合Kの乗算値は、下流側空燃比センサ11がリッチと判定するまでに、触媒を通過したリッチ分の排気中の還元材(CO,HC)の量と概略みなすことができる。
【0033】
一方、触媒出口空燃比がリッチと判定された後も放出する酸素の量つまりリッチ判定時点で触媒に残存している酸素の量は、上記T1×Kに対して略一定の割合とみなせ、この割合をC1として、T1のカウントアップと同時に、以下のT2を算出する。
T2×K=T1×K×C1
∴T2=T1×C1・・・(1)
次に、触媒出口空燃比がリッチと判定されてからも、リッチ化を継続するが、この時、T2のカウントダウンを行い、T2が0になったところで、リッチ化を終了する。
【0034】
次に、上記本発明の最も基本的で簡易な第1の実施形態の制御を、図3のフローチャートに従って説明する。
ステップ1では、リッチ空燃比運転を開始して上流側空燃比センサ8により、触媒入口空燃比がリーンからリッチに反転したかを判定し、反転を判定した後、ステップ2へ進む。
【0035】
ステップ2では、前記T1のカウントアップを開始する。
ステップ3では、前記(1)式により、残留酸素相当値T2を算出する。
ステップ4では、下流側空燃比センサ11により触媒出口空燃比がリッチになったかを判定し、リッチと判定されるまではステップ2に戻ってT1のカウントアップ、残留酸素相当値T2の算出を続行する。
【0036】
ステップ4で、触媒出口空燃比がリッチになったと判定されると、ステップ5へ進む。
ステップ5では、前記触媒出口空燃比がリッチになった時点で、同時点で算出されているT1に比例した値として算出されている残留酸素相当値T2を、カウントダウンする。
【0037】
ステップ6では、前記カウントダウンした残留酸素相当値T2が0になったかを判定し、0になるまでステップ5に戻ってカウントダウンを続行する。
ステップ6で、残留酸素相当値T2が0になったと判定されると、以降のリッチ化は不要と判断してステップ7でリッチ化を終了させる。
このように、触媒出口空燃比がリッチと判定された時点で触媒に残存する酸素量を推定しつつリッチ化を所定期間継続することで、触媒内の酸素を十分(完全)に放出できる。
【0038】
そして、前記リッチ化を所定期間継続した後、ストイキ(理論空燃比)運転に移行すると、前記触媒内の酸素が十分(完全)に放出されているので、CO,HCを還元材としてNOxを効率よく還元・浄化することができ、以って、CO,HCをバランスよく低減できる。
また、リッチ化運転の後に、直ぐにリーン空燃比運転に戻す場合でも、前記触媒内の酸素が十分(完全)に放出されているので、NOxトラップ能力を確保でき、リーン空燃比運転時間を十分確保できるので燃費や排気浄化性能を高めることができる。
【0039】
次に、第2の実施形態にかかる制御について説明する。本第2の実施形態は、リッチ空燃比運転を継続する期間中、時間経過と共に徐々にリッチ化の程度を減少するようにしたものである。
図4は、該第2の実施形態にかかる制御のフローチャートを示す。ステップ4において、ステップ11〜ステップ14までは、図3のステップ1〜ステップ4と同一であり、ステップ14で触媒出口空燃比がリッチになったと判定されてからステップ15〜ステップ18でリッチ割合を徐々に減少する点が、第1の実施形態と相違する。
【0040】
まず、ステップ15では、リッチ空燃比運転を継続する期間T3を、ステップ13で算出した期間T2の2倍に設定する。これは、期間T2が第1の実施形態のようにリッチ割合を一定とした場合に合わせて設定されているのに対し、第2の実施形態では図4(B)に示すように、リッチ割合を一定割合で徐々に減少する三角形状とすることにより、同一のリッチ燃料噴射量積算値とするには2倍の時間を要するからである。なお、本実施形態では判りやすくするため、ステップ13で算出したT2を、ステップ15で2倍にしてT3を算出する構成としたが、実際には、ステップ13で初めからC1の2倍の値を乗じてステップ15を省略すればよい。
【0041】
次いで、ステップ16でリッチ空燃比運転継続期間T4をカウントアップした後、ステップ17へ進む。
ステップ17では、毎回のリッチ割合K1を次式のように算出し、ステップ18で、該K1をリッチ割合として設定する(図4(C)参照)。
K1=K−K/T3×T4・・・(2)
ステップ19では、第1の実施形態同様にリッチ空燃比運転継続期間T4が、前記設定期間T3に達したかを判定し、達するとリッチ化の必要がないと判断してステップ20へ進み、リッチ化を終了させる。
【0042】
このようにすれば、下流側空燃比センサ11により触媒出口空燃比がリッチになってから徐々に減少する酸素放出率に見合うようにリッチ割合を徐々に減少させるので、リッチ化の過不足を抑制でき、この間の排気浄化性能も高めることができる。
次に、第3の実施形態に係る制御を、図5のフローチャートに従って説明する。本実施形態では、ストレージされた酸素に対して供給された排気中の還元材の量を正確に算出し、下流側空燃比センサ11(触媒出口酸素センサ)がリッチと判定してから放出される酸素の量を精度良く求めることを狙っている。
【0043】
ステップ21では、前記同様に触媒入口空燃比がリーンからリッチに反転したかを判定し、反転を判定した後、ステップ22へ進む。
ステップ22では、以下の算出を行う。
F1=F1+F0・・・(3)
ここで、F1は次式により求められる理論空燃比よりリッチな分の燃料噴射量相当値F0の積算値であり、例えば、10ms毎に計算される。
【0044】
F0=Tp×K/100×Ne/60/100(ms/10ms)・・・(4)
ここで、Tpは、エンジン1の吸入空気Qa及び回転速度Neで求まる燃料噴射弁5の基本噴射量パルス幅であり、エンジン1が理論空燃比で燃焼するための燃料噴射弁5の開弁時間を示し、単位はmsである。また、Kは、リッチ化するときの理論空燃比に対する燃料噴射量の増量率を示し、単位は%である。また、エンジン回転速度Neの単位はrpmである。上記式(4)により求められる燃料噴射量相当値F0は、10ms間に噴射された、理論空燃比よりリッチにするために噴射された燃料量に相当する量を示す。したがって、後述のステップ24で下流側空燃比センサ11がリッチと判定するまでに、式(3)により求まる積算値F1は、リッチ化している期間に触媒を通過する還元材の量に相当し、触媒にストレージされていた酸素の量から下流側空燃比センサ11がリッチと判定した時点で触媒に残存する酸素量を差し引いた酸素量と等価の量を示している。
【0045】
次いで、ステップ23では、次式によりF2を算出する。
F2=F1×C2・・・(5)
ここで、F2は、下流側空燃比センサ11がリッチと判定した後に放出される酸素の総量、つまり下流側空燃比センサ11がリッチと判定した時点で触媒に残存する酸素量を推定した値であり、C2はF1に対する割合を示す。
【0046】
ステップ24では、下流側空燃比センサ11により触媒出口空燃比がリーンからリッチに反転したかを判定し、反転したと判定するとステップ25へ進む。
ステップ25では、前記残存酸素量F2が前記リッチ化分燃料噴射量相当値(触媒通過還元材量)F0で還元されて徐々に減少するとして、次式の演算を行う。
【0047】
F2=F2−F0・・・(6)
ステップ26では、前記残存酸素量F2が0、つまり触媒内の酸素が放出されつくしたかを判定し、放出されたと判定されるとリッチ化の必要が無いと判断し、ステップ27へ進んでリッチ化を終了させる。
上記第3の実施形態では、触媒出口空燃比がリッチと判定された時点で触媒に残存する酸素量を高精度に推定して該残存酸素量に見合ったリッチ化継続時間を過不足なく設定できるので、NOxとCO,HCとをよりバランスよく低減できる。
【0048】
次に、第4の実施形態について説明する。図6は、本実施形態でリッチ化するときの燃料噴射量の増量率の与え方を示す。第1、第3の実施形態では触媒出口空燃比がリッチと判定された後のリッチ化継続期間中も、リッチと判定される前のリッチ化期間中と同一の増量率Kとして、図中A(一点鎖線)に示すように矩形状のリッチ化を行ったが、触媒出口空燃比がリッチ化したと判定した後は、酸素の放出率が低下するため、増量率の要求は図中Bのように徐々に減少する特性となる。前記第2の実施形態では、この点に鑑みてリッチ化継続期間中三角形状に増量率を低下させる方式とした。第3の実施形態のようにリッチ化継続運転中に燃料噴射量の積算値で継続終了時期を決める場合、運転条件の変化で逐次の基本燃料噴射量が一定でないので、単純に三角形状に増量率を低下させる方式には変更できない。
【0049】
第4の実施形態は、図6のCに示すように、第3の実施形態においてリッチ化継続期間中の燃料噴射量増量率を、リッチと判定される前のリッチ化期間中の増量率Kより小さくしてリッチ化を継続するようにしたものである。
図7は、該第4の実施形態に係る制御のフローチャートであり、第3の実施形態と異なる部分について説明する。
【0050】
ステップ34で触媒出口空燃比がリッチと判定された後、ステップ35でリッチ化するための燃料噴射量の増量率を、前記リッチと判定される前の増量率K(%)から増量率L(%)に低下させる。
そして、ステップ36で次式のように残存酸素量F2を算出するが、この式(7)で用いられるF3が低下した増量率Lに合わせて(8)式のように算出される。
【0051】
F2=F2−F3・・・(7)
F3=Tp×L/100×Ne/60/100(ms/10ms)・・・(8)
さらに、リッチ化継続期間中の増量率を、時間経過に応じて段階的に減少させるようにした第5の実施形態について説明する。
図8は、該第5の実施形態に係る制御のフローチャートである。前記第4の実施形態と異なる部分について説明すると、ステップ34で触媒出口空燃比がリッチと判定された後、ステップ45でリッチ化するための燃料噴射量の増量率Lを、時間経過と共に減少する残存酸素量F2に応じて段階的に減少させるように設定したマップテーブル(図9参照)から参照し、ステップ466で参照した増量率Lに設定する点である。
【0052】
具体的には、F2≧F2初期値(触媒出口空燃比がリッチに反転した時点の値)×aのときは、リッチ化継続前の増量率Kより少し小さい増量率L1に設定し(aは0<a<1の係数)、F2初期値×b≦F2<F2初期値×a(bは0<b<aの係数)のときは、前記L1より小さい増量率L2に設定し、F2>F2初期値×bのときは、前記L2よりさらに小さい増量率L3に設定する(図10参照)。
【0053】
このようにすれば、実際の触媒からの酸素放出率特性により近い特性となるように増量率Lが切り換えて設定されるので、NOxとCO,HCとを極力バランスよく低減できる。
次に、第6の実施形態について説明する。本実施形態は、触媒出口空燃比がリッチに反転した後に継続されるリッチ化を、空燃比フィードバック制御で実現するものである。図11は、本実施形態における空燃比フィードバック制御の例を示し、上流側空燃比センサ8として酸素センサを用いた場合を示す。該空燃比フィードバック制御は、燃料噴射量に上流側空燃比センサ8の出力に応じて設定される空燃比フィードバック補正係数αを乗じて平均の触媒入口空燃比を目標空燃比に制御するものである。ここで、前記空燃比フィードバック補正係数αを一般的な比例積分制御により設定する場合、触媒入口空燃比がリーンに反転したときに設定される燃料噴射量増量方向の比例分PLを、触媒入口空燃比がリッチに反転したときに設定される燃料噴射量減少方向の比例分PRより大きい値に設定する。これにより、平均空燃比はPL/PRに比例した空燃比分リッチにシフトする。すなわち、このときのリッチシフト率Mは、次式により求められる。
【0054】
M=PL/PR×C3(%)・・・(9)
なお、空燃比リーン判定時に設定される燃料噴射量増量方向の積分分ILを、空燃比リッチ判定時に設定される燃料噴射量減少方向の積分分IRより大きい値に設定しても平均空燃比をリッチシフトさせることができ、前記比例分によるリッチシフトと併用してもよい。
【0055】
図12は、本実施形態に係る制御のフローチャートである。
ステップ51〜ステップ54の触媒出口空燃比を判定するまでのステップは、前記各実施形態と同様である。
ステップ54で触媒出口空燃比がリッチに反転したと判定されると、ステップ55で燃料噴射量の増量率によるリッチ化(フィードフォワード制御)を終了し、ステップ56、57で前記リッチシフトさせた空燃比フィードバック制御を開始する。
【0056】
次に、ステップ58で残存酸素量F2をF2=F2−F4として算出するが、ここで用いるF4が、次式によりに算出される。
F4=Tp×M/100×Ne/60/100(ms/10ms)・・・(10)
以下、ステップ59でF2=0となったかを判定し、F2=0になるとステップ60でリッチシフトさせた空燃比フィードバック制御を終了する。
【0057】
なお、上流側空燃比センサ8として広域空燃比センサを用いた場合には、該広域空燃比センサの検出値が、目標リッチ空燃比相当値となるようにフィードバック制御すればよい。
以上のようにリッチ化を空燃比フィードバック制御で行うことにより、経時変化に影響されず安定したリッチ化制御を行える。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施形態のシステム構成を示す図
【図2】 第1の実施形態における各部の状態変化を示すタイムチャート
【図3】 第1の実施形態のリッチ化制御のフローチャート
【図4】 第2の実施形態のリッチ化制御のフローチャートと、各部の算出方法を説明する図
【図5】 第3の実施形態のリッチ化制御のフローチャート
【図6】 第4の実施形態の燃料噴射量増量率の設定を説明する図
【図7】 第4の実施形態のリッチ化制御のフローチャート
【図8】 第5の実施形態のリッチ化制御のフローチャート
【図9】 第5の実施形態で使用するマップテーブル
【図10】 第5の実施形態の燃料噴射量増量率の設定を説明する図
【図11】 第6の実施形態の空燃比フィードバック補正係数を説明する図
【図12】 第6の実施形態のリッチ化制御のフローチャート
【図13】 従来のリッチ化制御における各部の状態変化を示すタイムチャート
【図14】 リッチ化制御における各部の状態変化を示すタイムチャート
【符号の説明】
1 エンジン
2 吸気通路
3 エアフローメータ
4 電制スロットル弁
5 燃料噴射弁
7 排気通路
8 上流側空燃比センサ
9 触媒
10 NOxトラップ触媒
11 上流側空燃比センサ
12 クランク角センサ
15 ECU(エンジンコントロールユニット)

Claims (12)

  1. 排気通路に、流入する排気の空燃比がリーンの時にNOxをトラップし、該空燃比がリッチの時にトラップしたNOxを脱離、浄化するNOxトラップ触媒を備えた内燃機関の空燃比制御装置において、
    前記NOxトラップ触媒下流の排気の空燃比を検出しつつリーン空燃比運転後にリッチ空燃比運転を行い、前記NOxトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出した後も所定期間リッチ空燃比運転を継続し、
    かつ、前記リッチ空燃比運転を開始してから前記NOxトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出するまでの期間に応じて前記リッチ空燃比運転を継続する所定期間を設定することを特徴とすることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
  2. 前記リッチ空燃比運転を開始してから前記NOxトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出するまでの期間に所定割合を乗じて、前記リッチ空燃比運転を継続する所定期間を設定することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
  3. 前記リッチ空燃比運転を継続する所定期間は、時間経過と共に徐々にリッチ化の程度を減少することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
  4. 前記NOxトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出された後に継続するリッチ化空燃比運転のリッチ化の程度を、前記検出前のリッチ化の程度より小さくすることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
  5. 前記NOxトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出された後に継続するリッチ化空燃比運転を、空燃比フィードバック制御の平均空燃比をリッチ化することによって行うことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
  6. 前記リッチ化空燃比運転の終了後、ストイキ空燃比運転を行うことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか1つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
  7. 排気通路に、流入する排気の空燃比がリーンの時にNOxをトラップし、該空燃比がリッチの時にトラップしたNOxを脱離、浄化するNOxトラップ触媒を備えた内燃機関の空燃比制御装置において、
    前記NOxトラップ触媒下流の排気の空燃比を検出しつつリーン空燃比運転後にリッチ空燃比運転を行い、前記NOxトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出した後も所定期間リッチ空燃比運転を継続し、
    かつ、前記リッチ空燃比運転を開始してから前記NOxトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出するまでの期間に、理論空燃比よりリッチ化している燃料噴射量相当値に応じて前記リッチ空燃比運転を継続する所定期間を設定することを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
  8. 前記リッチ空燃比運転を開始してから前記NOxトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出するまでの期間に、理論空燃比よりリッチ化している燃料噴射量相当値の積算値に所定割合を乗じた値から、前記NOxトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出された以後のリッチ空燃比運転を継続しているときの理論空燃比よりリッチ化している燃料噴射量相当値の積算値を減算し、該減算した値がしきい値を下回った時点で該リッチ空燃比運転を終了することを特徴とする請求項7に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
  9. 前記リッチ空燃比運転を継続しているときに、前記減算した値が小さくなるに従って、リッチ化の程度を減少することを特徴とする請求項8に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
  10. 前記NOxトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出された後に継続するリッチ化空燃比運転のリッチ化の程度を、前記検出前のリッチ化の程度より小さくすることを特徴とする請求項7〜請求項9のいずれか1つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
  11. 前記NOxトラップ触媒下流の排気の空燃比がリッチと検出された後に継続するリッチ化空燃比運転を、空燃比フィードバック制御の平均空燃比をリッチ化することによって行うことを特徴とする請求項7〜請求項10のいずれか1つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
  12. 前記リッチ化空燃比運転の終了後、ストイキ空燃比運転を行うことを特徴とする請求項7〜請求項11のいずれか1つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
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